TCP/IP Handshake та Контроль Завантаження

Перш ніж передати жодного байта даних

TCP є зв’язним протоколом, що базується на IP, який не має пам’яті про попередні або наступні пакети. TCP створює ілюзію надійного, впорядкованого потоку даних поверх цієї безпам'ятної мережевої підкладки, починаючи з узгодження місця початку потоку – це трихетапний handshake, який моделюється у вашій симуляції крок за кроком перед переходом до частини, яку часто пропускають пояснення: що відбувається з пропускною здатністю з’єднання після фактичного надсилання даних та виникнення мережевого збої.

SYN, SYN-ACK, ACK

Кожна сторона з’єднання TCP відстежує власне порядковий номер — лічильник, що ідентифікує зміщення байт потоку, який вона планує надсилати, а головна мета рукоздавання полягає в обміні та підтвердженні цих початкових значень:

клієнт -> сервер: SYN, seq = x (Я планую почати з байта x) сервер -> клієнт: SYN-ACK, seq = y, ack = x + 1 (Я планую почати з байта y; Я підтверджую ваш x) kлієнт -> сервер: ACK, ack = y + 1 (Я підтверджую ваш y) Після цього обміну обидві сторони знають порядковий номер іншої сторони та підтвердили його, що дозволяє відстежувати кожний наступний сегмент даних, розміщувати їх у правильному порядку та підтверджувати отримання навіть якщо IP може доставляти основні пакети в неправильній послідовності або взагалі втрачати їх. Рукоздавання також узгоджує параметри з’єднання — розмір вікна, максимальний розмір сегменту, підтримку вибіркового підтвердження — за допомогою тих самих трьох пакетів, що пояснює, чому повільне або нестабільне рукоздавання не лише відкладає початок з’єднання, але й узгоджує можливості, які формують все після нього.

client -> server:  SYN,     seq = x                (I plan to start at byte x)
server -> client:  SYN-ACK, seq = y, ack = x + 1   (I plan to start at y;
                                                    I confirm your x)
client -> server:  ACK,     ack = y + 1             (I confirm your y)

Після встановлення зв’язку: вікно завантаження”, “paragraphs”: [

Живий TCP-з'єднання не може просто надсилати дані з максимальною швидкістю, яку дозволяє канал відправника — десь на шляху може бути повільніший канал або перевантажений маршрутизатор, і надсилання даних швидше, ніж мережа може їх витримати, лише заповнює буфери до їх переповнення та втрати пакетів. Відповіддю TCP є вікно завантаження (cwnd): обмеження на стороні відправника, яке визначає максимальну кількість непідтверджених байт, які можуть перебувати в трансіті одночасно, і яке постійно коригується залежно від того, чи проходять пакети або їх втрачаються — це AIMD (додатно-множинне збільшення), та

Повільний старт: експоненційний, незважаючи на назву

Відразу після завершення рукодарства TCP не має жодної інформації про ємність шляху, тому починає обережно — але агресивно збільшує швидкість. Повільний старт подвоює cwnd приблизно кожну час між передачами (RTT), оскільки кожен підтверджений сегмент збільшує cwnd на один сегмент, і протягом одного RTT підтверджується весь обсяг вікна сегментів:

повільний старт (коли cwnd cwnd приблизно подвоюється за RTT // це експоненційний ріст незважаючи на назву "slow start" // він є "повільним" лише відносно надсилання всього вікна одночасно Це триває до тих пір, поки cwnd досягає порогу (ssthresh) — зазвичай встановленого з попереднього вимірювання втрат — або доки не буде виявлено втрату, в цьому випадку TCP перемикається у режим.

slow start (while cwnd < ssthresh):
  on each ACK received:  cwnd += 1 segment
  // an entire cwnd of segments ACKed within ~1 RTT => cwnd roughly doubles per RTT
  // this is exponential growth despite the name "slow start" -
  // it's "slow" only relative to sending the whole window at once

Уникнення перевантаження: додавальне збільшення

Після того, як ssthresh було досягнуто, TCP припускає, що знаходиться близько до фактичної ємності шляху та переходить у обережний лінійний ріст – збільшуючи cwnd приблизно на один сегмент за час однієї мандрівної паузи, а не за ACK, делікатно досліджуючи будь-яку доступну вільну ємність:

congestion avoidance (cwnd >= ssthresh):
  on each full window of ACKs (~1 RTT):  cwnd += 1 segment
  // linear growth - the "additive increase" half of AIMD

Втрата: множинне зменшення

Втрачений пакет (виявлений або через час очікування повторної передачі, або частіше за все, через дублікати ACK, що сигналізують про прогалину в отриманій потоці) є неявним сигналом для TCP, що мережа перевищила свій фактичний обсяг – немає жодного явного повідомлення про збій, TCP виводить збиток лише на основі втрат. Відповіддю є агресивне множинне зменшення, а не м’яке коригування:

у разі виявлення втрати: ssthresh = cwnd / 2 cwnd = ssthresh (або cwnd = 1 сегмент, для часу очікування – повний перезапуск до повільного старту) -> відновлення в режимі уникнення збою від половини значення Асимметрія — лінійне збільшення, множинне зменшення — є свідомою і саме вона забезпечує відносно стабільну збіжність AIMD навіть коли багато незалежних з’єднань TCP використовують один вузький канал без координації між ними: лінійний ріст достатньо обережний, щоб не перевищити обсяг набагато раніше, ніж прийде наступний сигнал про втрату, і зменшення вдвічі у разі втрат швидко виводить збурену чергу, а не повторно її перевищує. Повторюваний цикл лінійного підйому, що супроводжується зменшенням вдвічі у разі втрати, створює характерний графік

sawtooth

пропускної здатності, який є другою найважливішою частиною алгоритмічного дизайну інтернету — це причина того, що перевантажений канал поступово деградує до спільного, справедливого діапазону пропускної здатності замість того, щоб перейти в стан застиглого задуху.

on loss detected:
  ssthresh = cwnd / 2
  cwnd     = ssthresh          (or cwnd = 1 segment, for a timeout -
                                 a full restart back to slow start)
  -> resume in congestion avoidance from the halved value

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте TCP/IP Handshake і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.